某艰险山区铁路隧道大变形设计

陈锡武，苏开潍，贾 杰

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

隧道软岩大变形是一个相对概念，围岩是否发生大变形与隧道支护体系的强度、刚度等密切相关，理论上，当支护措施足够强大时可不使软岩大变形发生，因此，软岩大变形比较的基础应为普通地质条件下常规支护的隧道围岩变形。高地应力软岩大变形是指在高地应力软弱围岩环境并采用常规初期支护条件下，隧道开挖后初期支护在围岩形变压力（非松动荷载）为主的围岩压力作用下，向隧道开挖净空内发生变形位移，当变形位移量超出常规围岩变形量时，称为高地应力软岩大变形。若变形位移不加以控制或控制不及时，可能造成初期支护变形侵限、二次衬砌开裂或支护变形过大丧失承载能力，甚至导致隧道塌方等严重后果。因此大变形的发生需具备2个条件，即高地应力环境和软岩。

在总结部分艰险山区铁路项目工程实践的基础上，从设计方面提出单线隧道工程措施建议，为类似的设计项目提供参考。

1 工程概况

1.1 隧道概况

隧道全长30 700 m，进口30 050 m左右线分修，线间距11.15～50 m，出口段650 m合修。隧道纵坡采用人字坡，其中进口段12.9 km为3‰～5‰上坡，出口段17.8 km为30‰下坡。最大埋深约1 180 m，其中埋深大于500 m的段落16.4 km，大于1 000 m的段落1.3 km。综合考虑施工组织、防灾救援、运营排水等要求，辅助坑道采用“2横洞+4斜井+1局部平导”方案，其中2号斜井和3号斜井采用主副井设置，辅助坑道总长17.542 km，局部平导16.403 km。辅助坑道平面布置如图1所示。

图1 辅助坑道平面布置示意图

1.2 地质概况

隧道位于穿越横断山脉，工程地质条件复杂。全隧以砂岩、泥岩、页岩等软质岩为主，其中三叠系白云岩、灰岩夹石膏长度为3.75 km；三叠系炭质页岩、泥岩、砂岩夹煤层长度为4.1 km；其余22.9 km为侏罗系砂岩、泥岩、页岩地层。洞身穿越11条断层和22处褶皱，地质构造复杂。全隧Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，占比96%。

1.2.1 地应力分布特征

软岩大变形是该隧道存在的突出问题。根据现场大量深孔实测地应力数据，使用COMSOL Multiphysics软件进行模拟计算，沿隧道轴线方向最大主应力分布范围为11.8～46.7 MPa，最大主应力大小与隧道埋深趋势基本一致。应力分布受断裂构造影响较大，受岩性影响较小。由于河谷下切过程中的卸荷作用，在河谷附近应力存在一定的松弛现象。中间主应力变化趋势与最大主应力类似，最小主应力主要受地形、断裂构造和河谷下切卸荷作用的影响。隧道轴线方向主应力分布如图2所示。

图2 隧道轴线方向主应力图（左侧为进口）

预测极高地应力区1 615 m，占比5.3%；高地应力区18 635 m，占比60.7%；中地应力区10 425 m，占比34%。隧道沿线主要是高地应力或中地应力状态，个别区段有极高地应力，发生大变形的概率较高。

1.2.2 岩石强度

根据钻孔岩性统计，结合区域地质资料，隧道砂、泥岩地层以泥岩为主，综合考虑，岩石抗压强度采用泥岩指标。在隧道范围取大量的岩石进行试验并统计，根据统计结果综合考虑岩石抗压强度取值。各地层岩石抗压强度建议值如表1所示[1-2]。

表1 各地层岩石抗压强度建议值

1.2.3 岩体强度

强度应力比（Rb/σmax）的主控因子为岩体强度Rb和最大地应力σmax（计算垂直洞轴向的最大正应力）。岩体强度难以实测取得，设计中采用岩石强度进行修正，受地层时代、岩层与隧道轴线的夹角、岩层厚度和构造等因素影响，其中岩体强度主要取决于岩石强度受构造影响的程度，主要依据综合测井资料结合经验取值，地质构造对岩石强度影响的系数可参考表2进行取值[3]。

表2 构造对岩石强度影响系数表

1.2.4 大变形预测

根据隧道地应力测试结果，主应力方向主要为NW-NWW向，最大主应力近于水平。本隧道地层基本以三叠系泥岩、砂岩夹页岩，侏罗系泥岩、砂岩为主，整体岩质软。根据区域资料及实测资料，隧道断层、褶皱等构造极发育。综合分析隧道存在软岩大变形条件，预测大变形总长14 330 m，占比46.6%，其中I级大变形段落长11 120 m，占比36%；Ⅱ级大变形段落长2 620 m，占比8.5%；Ⅲ级大变形段落长590 m，占比2%。

2 变形机理及影响因素分析

2.1 变形机理

隧道开挖后引起围岩应力重分布，在大埋深或高地应力条件下，围岩强度不足以承受重分布后的围岩应力，岩体将发生塑性变形、剪切滑移破坏或弯折变形，引发高地应力软岩大变形。不同的大变形类型的变形机理也不尽相同。

该隧道以挤压型软岩大变形为主，大变形发生于围岩松弛阶段，由于围岩本身强度较低，岩体受过大剪应力作用而被破坏，剪切破坏区形成环形塑性区，其中剪切过程伴随着围岩的滑移和突然分离，在埋深大、地壳经历过激烈运动、地质构造复杂的泥岩、页岩、含煤地层等都容易出现较大的挤压大变形。

2.2 主要影响因素

软岩大变形是众多因素综合作用的结果，通过对近年典型高地应力软岩大变形铁路隧道进行统计分析发现，初始地应力、岩体强度是主控因素，同时地质构造、地层岩性、岩石坚硬程度、岩层厚度、岩体完整程度、岩层产状、水文地质条件、工程设置及施工技术也与之密切相关。

3 大变形分级及预测[4-8]

3.1 分级标准

分级标准是确定隧道设计措施的主要依据，涉及2个核心问题，即大变形等级分类和分级指标。从国内外软岩大变形分级指标的调研情况来看，主要分级指标一般包括强度应力比、初始地应力及隧道初期支护的相对变形量等3项，个别也有利用多项指标进行综合判断分级的。TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》和Q/CR 9512—2019《铁路挤压性围岩隧道技术规范》中将大变形分为3级，但分级标准有所差异，具体分级标准如表3所示。

表3 现行规范分级对比表

综合相关规范及成兰、兰渝等铁路的实践经验，本隧道软岩大变形分为一级、二级、三级、四级共4个等级。

高地应力软岩隧道地质分级具体如表4所示。

表4 高地应力软岩隧道地质分级表

3.2 施工阶段预测

施工阶段应开展核查工作，并应结合地质勘查资料和设计文件，采用超前地质预报、地质分析方法、监控量测手段和数值模拟技术进行定量、定性的综合预测，根据预测结果调整设计。对地质勘查及设计文件中预测出现二级及以下大变形段落，应结合围岩情况、围岩弹性波速等，采用超前地质预报和地质分析法进行定性判定；对地质勘查及设计文件中预测出现三级及以上大变形情况，应首先结合围岩情况、围岩弹性波速等，采用地质超前预报和地质分析方法进行定性预测，必要时应采用强度应力比和地应力测试方法进行定量判定，最后结合定性判定和定量判定进行综合确定。

4 大变形隧道设计对策[9-14]

4.1 大变形控制理念及原则

软岩大变形应遵循“优化洞形、主动加固、分级控制、强化支护”的基本原则，遵循“快开挖、快支护、快封闭”的理念。“快开挖”指采用微台阶开挖取代传统的多台阶开挖，避免多次扰动围岩；“快支护”指开挖后及时封闭岩面，尽快施作喷锚网等支护措施，防止高地应力软岩长时间暴露产生更大变形，并根据监测数据动态调整支护参数；“快封闭”指支护结构尽快封闭成环，在最短的时间发挥最有效的作用。机械化配套技术是实现施工“快”的基础，软岩大变形段应结合环境条件和作业要求配备自动化程度高的施工机械设备，提高施工效率，降低劳动强度，保证施工质量。具体为：针对一级、二级大变形，以优化洞形、主动支护为主，保护并加固围岩，控制变形；针对三级、四级大变形，在优化洞形的基础上，进一步加强主动支护措施，采取必要的让压措施适度释放能量，强化初期支护刚度，综合施测，控制围岩及结构变形。

4.2 设计措施

4.2.1 加大线间距

线间距过小会导致隧道变形发生群洞效应，因此，建议应适当加大高地应力软岩隧道两线间距，结合成兰铁路跃龙门隧道经验，本隧线间距按50 m进行设计。

4.2.2 优化断面轮廓

隧道断面内轮廓首先要满足建筑限界的要求，同时作为一种承载结构，还应兼顾结构受力和经济性。对于大变形隧道，衬砌内轮廓应结合建筑限界、跨度、大变形等级等综合确定，可采用椭圆形、近圆形或圆形内轮廓。

一、二级大变形地段可采用椭圆形轮廓，三、四级大变形地段可采用圆形轮廓。对于仰拱矢跨比，一级大变形地段不宜小于1/8，二级大变形地段不宜小于1/6，三、四级大变形地段仰拱宜采用圆形，具体如图3所示。

图3 单线隧道不同大变形等级洞形示意图

4.2.3 强化主动支护体系，充分发挥围岩自承能力

在高地应力软弱围岩地段，可采用主动支护体系充分发挥围岩自承能力，提高支护结构强度和刚度（必要时）等工程措施，控制隧道围岩产生过大变形。主动支护体系设计应选用合适的预应力锚杆（索）参数，提高锚固体系的施工效率，实现主动加固围岩，充分发挥围岩自承能力。结合地质条件，锚杆可针对性选用涨壳式锚杆、树脂锚杆、自进式锚杆以及锚索等，配合联结钢带、防护网等形成预应力锚固体系。为满足快速施工、平行施工的需要，锚固体系设计可长短结合、分序施作。对于三级、四级大变形地段，采取必要的让压释能设计，结合现场试验及数值模拟，合理确定预留变形量；采用高性能喷混凝土（提高喷混凝土早期强度及柔性）及大刚度钢架，适时约束围岩变形。

4.2.4 改善开挖方法，减少对围岩扰动

施工过程中应尽量减少对隧道周边围岩的扰动，避免隧道周边塑性区发展，充分发挥围岩的自稳能力，以控制围岩变形。施工实践表明，隧道软岩段采用机械开挖工法或钻爆法大断面施工工法（如图4所示），可减少对围岩的扰动，且可实现支护尽早闭合成环，控制围岩变形效果较为明显，因此，机械开挖工法和钻爆法大断面施工工法是控制软岩变形较为理想的开挖方法。

图4 大台阶法施工

针对不同等级的软岩大变形，主要工程措施建议如表5所示。

表5 软岩大变形基本措施建议表

4.2.5 二次衬砌施作时机

4.2.5.1 二次衬砌作用

对于稳定性较好的围岩，二次衬砌主要作用是安全储备和防水；而对于高地应力软岩大变形隧道，初期支护变形量及变形速率均较大，很难在短时间内趋于稳定，仅仅依靠初期支护不足以抑制围岩变形的发展，二次衬砌将承受较大的后期围岩形变压力。

4.2.5.2 施作时机确定方法

高地应力软岩地质条件下，特别是围岩强度应力比极低时，围岩压力大，流变特性显著，隧道变形持续时间长。二次衬砌对于控制高地应力软岩隧道变形具有显著的作用。从控制变形角度来看，二次衬砌施作越早，对控制变形越有利，但受力也就越大，易导致二次衬砌开裂破坏。确定合理的二次衬砌施作时机，应结合软岩隧道变形大、变形持续时间长的特点，既要围岩释放一部分自由变形，防止围岩压力过大破坏二次衬砌，又要防止变形过大导致衬砌结构失稳破坏。但目前国内对二衬施作时机的控制标准也不尽相同。

4.2.5.3 二衬施作时机建议

对于一级、二级大变形，已有较为成熟的变形控制技术，三级、四级变形目前也有一定的技术储备，二次衬砌施作时机是否适宜，关系到二次衬砌承载能力的发挥、隧道结构稳定及运营安全。软岩大变形段二次衬砌施作应在围岩和初期支护变形基本稳定后进行，变形基本稳定应符合变形速率明显下降并趋于缓和。本隧道地质条件复杂，建议结合现场试验、科研攻关等进一步研究确定二衬砌施作时机。

5 结语

为了解决大变形给隧道施工和运营带来的问题，对大变形工程现象进行了许多相关研究，逐步形成了主动支护的设计理念，在支护措施、施工工艺、工法、机具配套等方面取得了一定成果。但大变形问题仍是隧道工程界难题，仍存在预测难、二衬施作时机难确定和严重、极严重大变形处理技术还不太成熟等问题，需进一步研究。本文结合某隧道工程实例，在总结成兰、拉林、大瑞、兰渝等艰险山区铁路项目工程实践的基础上，从设计方面提出建议，供类似工程参考。